Agricultural Reservoir Operation Analysis According to Surveyed Irrigation Guideline

현장조사 관개 기준에 따른 농업용 저수지 운영 분석

Abstract

The drought risk has been increasing recently due to climate change causing the extreme climate to be more frequent. In order to supply agricultural water stably under drought, it is necessary to operate an agricultural reservoir in response to drought. To this end, it is crucial to establish appropriate drought response operation rules considering weather conditions and reservoir status. In the reservoir operation simulation, the supply amount differs from the actual reservoir supply for many reasons, including maintaining water levels for supply and accommodating farmers' requests. So, for a more realistic reservoir operation simulation, it is necessary to reflect the reservoir operation rules of the actual water management site. Therefore, in this study, through a survey, the standards for limitation of agricultural water supply applied to agricultural reservoirs in Korea were investigated, and the criteria for drought response reservoir operation (DRO) were established based on the survey. Then, the DRO was applied to the irrigation period for nine subject reservoirs. The applicability was evaluated by comparing the DRO result to the operation result of HOMWRS (Hydrological Operation Model for Water Resources System). The reservoir drought index, storage rate, and daily supply were compared for evaluation. From the result, DRO showed more stable operation results in most cases against drought as it has fewer days of water supply limitation and a somewhat reservoir storage rate which can be utilized for prolonged drought.

Ⅰ. 서론

우리나라에는 17,080 개의 농업용 저수지가 건설되어 있으며, 대부분 논벼 재배를 위한 농업용수공급을 주목적으로 하고 있다. 일반적으로 농업용저수지의 농업용수공급은 논벼 이앙기를 포함한 생육시기인 5월에서 9월까지 이루어지며, 강수가 여름철에 집중되어 있는 우리나라의 특성상 비관개기에는 저수지 담수에 치중하고, 관개기에 농업용수를 공급한다. 수자원이 시간적⋅공간적으로 편중되어 있는 우리나라에서 저수지는 홍수기의 풍부한 수량을 저류하여 관개기 혹은 갈수기에 이용하는 수단으로서 매우 중요한 역할을 한다(Ahn et al., 2002). 최근에는 기후변화로 인해 극한 수문사상의 발생빈도가 증가하고 있으며, 우리나라에서도 국지적으로 극심한 가뭄이 발생하는 사례가 많아지고 있어 가뭄의 위험성이 높아지고 있다 (Jeon et al., 2021). 가뭄은 진행속도가 느리고 광범위하게 발생하여 예측이 어렵고 피해가 크다는 특징이 있는데, 가뭄 발생 시 농업용수를 안정적으로 공급하기 위해 기상상황과 저수지 현황을 반영한 적절한 가뭄 대응 운영기준을 수립하고 적용하는 것이 필요하다.

저수지 운영 모의는 기상자료를 기반으로 산정한 유입량, 공급량 자료에 의해 수행되는데 특히 작물의 증발산량, 관개 효율, 필지 담수심 등을 고려한 필요수량으로부터 산정한 농업용저수지의 공급량은 실제 현장에서 적용하는 저수지 운영의 공급량, 공급시기와 차이가 크다. Nam et al. (2011)이 수행한 설문조사에 따르면 저수지의 취수 시기, 이앙용수량 등은 농민의 요구에 의해 결정되는 비율이 가장 높으며, 대체로 농민의 요구와 저수지 관리자의 경험에 따라 농업용수를 공급한다. 실제 농업현장에서 농업용저수지는 수로 말단부 용수 공급을 위한 수로수위 유지, 기상조건, 농민의 요구 등을 이유로 모형에 의해 모의된 필요수량에 따른 공급량, 공급빈도와는 다른 저수지 운영을 하며, 따라서 보다 현실적인 저수지 운영 모의를 위해서는 실제 물관리 현장에서 저수지관리자가 적용하는 저수지 운영기준을 반영하는 것이 필요하다.

우리나라의 가뭄에 대응한 댐 및 저수지 운영과 관련된 연구 사례를 살펴보면, Yi and Kim (2004)은 저수지 운영 곡선을 근거로 가뭄상태에 따라 방류량을 조절하는 방식의 저수지 운영을 적용하였고, 표준운영정책 (Standard Operation Policy, SOP)과 비교하여 효과를 평가하였다. Park and Lee (2004)는 용수공급을 최대화하는 목적함수와 제약조건을 설정하고 제약조건을 달리 설정하여 각 저수지 운영의 결과를 비교하였다. Seo et al. (2008)은 물 공급 모형을 구축하고 가뭄심도에 따른 유입량 감소를 반영한 가상가뭄모의를 시행하였다. 이 때 저수지 방류량은 저수지 운영 곡선에 근거하여 결정하였으며 이를 통해 저수지 운영 곡선의 효과를 확인하였다. Jin et al. (2016)은 앙상블 유량예측을 통해 미래 유입량을 예측하고 가뭄 대응 단계에 따라 단계별 용수 감량공급 기법을 적용하였으며, 감량공급 기준 곡선의 유용성을 확인하였다. Jin et al. (2017)은 현재 저수량을 기준으로 하여 이산화 용수 감량 공급 기법을 적용하고 용수 감량의 효과를 평가하였다. 그러나 이는 대부분 다목적 댐을 대상으로 수행한 연구로 농업용수 외 생활용수, 공업용수, 발전용수 등을 공급량에 포함하고 있으며, 기존의 저수지 운영 곡선이 존재하는 상황에서 이루어진 연구가 많아 농업용저수지의 상황과는 다소 차이가 있다.

가뭄 시 우리나라 농업용저수지에 대한 연구로는 저수지 운영보다 가뭄의 평가 및 예⋅경보와 관련한 연구가 많이 수행되었다. Park et al. (2006)은 과거 가뭄 기간에 대해 가뭄지수, 저수율, 무강우일수 등을 포함한 4가지 농업가뭄지표의 적용성을 평가하였다. Lee et al. (2006)은 저수지의 용수공급 능력과 수요량을 파악하여 현재 상황에 대해 직관적인 근거를 제시할 수 있도록 새로운 지표인 물공급능력지수 WSCI (Water Supply Capacity Index)를 개발하고 기존 가뭄지수와 비교하여 효과를 확인하였다. Kwon et al. (2007)은 SWSI (Surface Water Supply Index)의 입력자료를 우리나라 실정에 맞게 보완하고 적용성을 검토하였다. Nam et al. (2013)은 저수지 물수지 분석을 통해 계산한 부족수량으로부터 저수지 가뭄지수 (Reservoir Drought Index, RDI)를 산정하고 가뭄 평가에 적용하였다. Lee et al. (2018)은 다중회귀분석을 통해 월단위 저수량을 예측하고 현재 저수율과 평년 저수율을 이용한 저수지 가뭄지수를 추정하였다.

가뭄 시 농업용저수지 운영과 관련한 연구로 Nam and Choi (2013)는 실시간 저수지 수위 모니터링 자료와 용수공급 취약성 평가 모형을 적용하여 농업용저수지의 용수공급 상황을 분석하고 저수지 운영을 위한 의사결정지원 도구로 용수공급 취약성 특성 곡선을 제시하였다. Jeung et al. (2021)은 평년시기와 가뭄시기를 구분하고 시나리오 별로 설정한 저수지 운영기준에 따라 물수지 분석을 수행하여 이수안전도와 용수 부족량을 평가하였다. 이때 가뭄시기의 농업용저수지 운영을 위해 저수율 하한선을 저수지 운영 곡선으로 설정하였다.

우리나라 농업용저수지의 가뭄 대응에 대한 연구로는 농업용저수지의 가뭄을 평가하기 위해 가뭄 지표를 개발한 연구가 다수 수행되었으나, 저수지를 대상으로 한 가뭄 대응 저수지 운영에 관한 연구는 부족한 실정이었으며, 실제 물관리 현장의 공급중단 요인을 반영한 연구는 거의 수행되지 않았다.

따라서 본 연구에서는 실제 물관리 현장에서 가뭄 시 적용하는 용수공급기준을 고려한 저수지 운영을 적용하고 평가하고자 하였다. 이에 저수지 물관리자를 대상으로 설문조사를 수행하여 현재 우리나라 농업용저수지에서 적용하고 있는 저수지 공급 중단 기준을 조사하고, 이를 가뭄에 대응한 저수지 운영기준으로 적용하였다. 또한 가뭄에 대응한 농업용저수지 운영의 결과는 수리시설물 모의조작시스템 HOMWRS (Hydrological Operation Model for Water Resources System)를 기반으로 한 이론적인 공급량에 따른 저수지 모의 결과와 비교하여 그 효과를 평가하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 현행 농업용저수지 관리자 설문조사

본 연구에서는 현재 농업용저수지 운영기준을 파악하기 위해 한국농어촌공사의 지사별 농업용저수지 관리자를 대상으로 2019년 3월 설문조사를 수행하였다. 설문 답변 시 관리 저수지 중 규모에 따라 3개 지점을 선정하여 답변하도록 하였으며, 15개 지사의 저수지 관리자가 설문조사에 응하였다. 설문조사를 통해 각 저수지 관리자가 농업용수공급을 중단하는 요인을 조사하였고, 가뭄상황 시 용수공급 방법에 대하여 조사하였다. Table 1은 설문조사에 응한 지사와 대상 저수지의 제원을 표로 정리한 것이다.

Table 1 Properties of reservoirs for survey

2. 대상 저수지 및 자료 수집

본 연구에서는 과거 기상자료를 기반으로 대상 저수지에 대하여 관개기 저수지 운영을 수행하였다. 저수지 운영 모의 및 가뭄 지수 산정을 위해 한국농어촌공사 (Korea Rural Community Corporation, KRC)에서 측정한 저수지 수위자료로부터 구한 저수율과 평년저수율 자료를 이용하였으며, 저수지 수위 계측 자료가 확보된 저수지 중 설문조사에 응답한 지사에 속한 저수지를 연구 대상지 후보로 선정하였다. 또한 저수지 유입량과 필요수량의 차이가 과다하게 나지 않도록 유역면적비를 고려하여 대상 저수지 후보를 검토하였으며 최종적으로 자료 수집이 용이하고 유역면적비가 3.0 이하인 저수지 중 9곳을 대상 저수지로 선정하였다. Fig. 1은 대상 저수지의 위치를 도상에 표시한 것이다.

Fig. 1 Location of the reservoirs for study

개발한 가뭄대응 저수지 운영기준에 따라 저수지를 운영하고 그 결과를 평가하기 위해 설문조사의 공급중단요인에 해당하는 자료를 수집하였다. 티센 (Thiessen)망을 구성하고 각 저수지의 지배 관측소에서 기상자료를 수집하였으며, 저수지 소재지에 따라 과거 단기예보자료를 수집하였다. 또한 저수지 운영 결과를 HOMWRS 모의에 따른 운영 결과와 비교하기 위해 HOMWRS 구동을 위한 저수지 내용적 곡선, 유역면적비 등의 입력자료를 구축하였다. Table 2는 연구 대상 저수지의 유역면적, 수혜면적, 유효저수량, 지배관측소를 정리한 것이다.

Table 2 Properties of the reservoirs for study

3. 가뭄대응 농업용저수지 운영기준

가뭄대응 농업용저수지 운영기준 (Drought response agricultural reservoir operation rule, DRO rule)을 설정하기 위해 설문조사 답변을 기반으로 하여 강우량, 단기예보 강우량, 저수율을 용수공급 조절인자로 설정하였다. Penman-Monteith 공식에 따른 논벼의 증발산량, 침투량, 작물생육시기를 고려한 용수공급 가이드라인을 산정하였으며, 용수공급 조절인자에 따른 조절비율과 관개효율을 고려하여 최종적인 농업용수 공급량을 결정하였다. 이를 위해 각 저수지의 침투량, 수로손실, 배분관리손실을 고려하였으며 용수공급 조절인자의 범위와 그에 따른 조절비율은 설문조사 결과에서 반복적으로 나타난 값을 기준으로 결정하였다. Fig. 2는 가뭄대응 농업용저수지 운영기준에 따른 농업용수공급량 결정 및 저수지 운영 과정을 도시한 것이다. 설문조사 결과와 설정한 가뭄대응 농업용저수지 운영기준은 결과 및 고찰에 서술하였다.

Fig. 2 Reservoir operation process by DRO rule

4. 저수지 운영 평가

각 운영의 가뭄에 대한 안정성을 평가하기 위해 우리나라에서 농업용저수지 모의 조작 및 설계를 위해 주로 사용되는 HOMWRS에 따른 저수지 운영 (HOMWRS based reservoir operation, HRO) 결과와 가뭄대응 저수지 운영 기준에 따른 운영 (Drought response agricultural reservoir operation, DRO) 결과를 비교였다. HRO는 기본적으로 Fig. 2에 제시된 DRO와 유사한 방식으로 이루어지는데, 필요수량과 공급량을 결정하는 방법에 차이가 있다. HOMWRS의 경우 필요수량 산정 시 증발산량과 침투량 뿐만 아니라 가상의 필지 담수심에 따른 유효우량을 고려한다. DRO에서 필요수량은 증발산량과 침투량만을 고려하여 산정되는 반면 HRO에서 증발산량과 침투량에 의해 소모되는 수량은 유효우량에 의해 일부 보상이 된다. 또한 DRO에서는 용수공급 조절인자에 따라 산정한 필요수량의 일부를 공급하는 경우가 있으나, HRO는 산정한 필요수량을 전부 공급하는 것을 원칙으로 하고, 필요수량에 비해 저수량이 부족한 경우에만 공급 가능한 최대량을 공급한다.

농업용저수지의 경우 논벼의 관개가 주목적이기 때문에 기상학적 가뭄 등이 발생하더라도 안정적인 공급이 가능한 저수량을 확보하고 있는지가 중요하다. 이에 Lee et al. (2018)이 제안한 저수율 기반의 저수지 가뭄지수 (RDI)를 적용하였고, 저수지 가뭄지수와 저수율 시계열 그래프 등을 비교하여 가뭄에 대한 안정성을 평가하였다. 저수율 기반의 저수지 가뭄 지수 RDI는 식 (1)을 통해 산정한다.

\(\begin{aligned}R D I=\frac{R S_{a c t}-R S_{\text {nor }}}{R S_{\text {act }}}\end{aligned}\)       (1)

여기서 RS_act은 현재 저수율, RS_nor은 30년 평년 저수율이다. RDI를 산정하기 위해 일 단위로 저수지 모의를 수행 하였고 매월 초의 저수율을 기준으로 산정한 RDI를 이용해 월 단위 저수지 운영 결과를 평가하였다. 또한 가뭄 상태를 분류하기 위해 Lee et al. (2018)이 제안한 저수율 기반 RDI에 따른 가뭄 분류 기준을 Table 3과 같이 적용하였다.

Table 3 Criteria for drought classification using RDI

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 설문조사 결과 및 가뭄대응 저수지 운영기준

가. 저수지 물 관리자 설문조사 결과

농업용저수지 관리자를 대상으로 설문조사를 수행한 결과 농업용저수지의 공급중단요인으로는 강우, 강우예보, 저수율, 태풍⋅폭우예보 등이 있었으며, 관리자에 따라서 여러 요인을 복합적으로 고려하는 것으로 나타났다. 강우를 공급중단 요인으로 하는 관리자는 강우 30 mm를 기준으로 공급을 중단하는 경우가 다수였고, 저수율의 경우 현재 저수율 30%를 기준으로 공급을 중단하는 것으로 나타났다. 강우 예보의 경우 다음날 강우 예보 30 mm 혹은 그 이상 값을 기준으로 공급을 중단하는 경우가 많았다. 가뭄상황 시 용수를 공급하는 방법으로는 공급량 또는 시간을 비율로 조절하여 공급하는 제한 급수와 공급과 미공급을 번갈아 시행하는 간단급수 (Intermittent supply) 두 가지 방법을 적용하는 것으로 나타났으며 제한 급수의 경우 평소의 50% 혹은 60%를 공급하는 것으로 나타났다. Table 4는 설문조사 결과 도출한 농업용수 공급중단요인과 가뭄상황 시 용수공급방법을 정리한 것이다.

Table 4 Results of a survey on reservoir operation rules

나. 가뭄대응 저수지 운영기준 설정

설문조사 결과 공급중단요인으로 강우, 강우예보, 저수율이 공통적으로 다수 나타났으며, 농업용수 공급중단요인, 가뭄상황 시 용수공급 방법은 저수지 규모 보다 각 지사에 띠라 다른 것으로 나타났다. 따라서 강우, 강우예보, 저수율을 용수 공급 조절인자 (Supply control factor)로 설정하고 설문조사에서 공통적으로 많이 나타난 기준 값에 따라서 공급비율을 조절하는 것으로 가뭄대응 저수지 운영기준을 설정하였다. Fig. 4는 설문조사에서 강우, 강우예보, 저수율을 공급중단요인으로 하는 경우 나타난 기준 값의 비율을 도표로 도시한 것으로 기준 값이 명시되지 않은 경우는 제외한 결과이다.

Fig. 3(a)에서 강우 (Rainfall)를 용수공급 중단요인 고려한다고 답한 지사 중 30 mm 이상의 강우가 발생할 경우 공급을 중단하는 비율이 50.0%로 절반 이상으로 나타났다. Fig. 3(b)에서 저수율 (Storage rate)을 용수공급 중단요인으로 고려하는 지사 중 30% 이하를 기준 값으로 하는 비율이 80.0%로 가장 많았으며, Fig. 3(c)에서 강우예보 (Rainfall forecast)를 용수공급 중단요인으로 고려하는 지사 중 다음 날 30 mm 이상의 강우예보가 있을 때 공급을 중단하는 비율이 37. 5%로 가장 많았고, 50 mm 이상의 강우예보를 기준 값으로 하는 경우는 25.0%로 두 번째로 많았다. 본 연구에서는 단기예보자료인 6시간 강수예보를 합산하여 일 단위 강수예보를 산정하였으며, 이때 강우예보는 각 구간의 최대값 (10∼20 mm 예보의 경우 20 mm, 20∼40 mm 예보의 경우 40 mm 등)을 제시하므로 일 단위 강수예보가 다소 크게 산정될 수 있다. 이에 용수 공급 조절이 과다하게 일어나는 것을 방지하기 위해 두 번째로 많이 사용하는 기준 값인 50 mm를 용수공급 조절인자의 기준으로 설정하였다.

Fig. 3 Criteria value for supply limit by each supply control factor

Table 5는 설문조사 결과를 기반으로 설정한 용수공급 조절인자의 기준값에 따른 저수지 용수공급 비율 (Control ratio)을 정리한 것이다. 이때 충청남도 남단인 위도 35.975도를 기준으로 중부, 남부지역을 구분하여 이앙기와 중간낙수기를 저수지 운영에 적용하였다.

Table 5 Drought response reservoir operation rule

*transplanting period: 10 mm/day for 14 days (central: May 21∼Jun 3, southern: Jun 1∼Jun 14)

*midsummer drainage period: 0 mm/day for 7 days (central: Aug 1∼Aug 7, southern: Aug 8∼Aug 14)

2. 저수지 운영기준에 따른 저수지 운영 결과

가. 저수지 운영기준에 따른 연 공급량 비교

본 연구에서는 가뭄대응 저수지 운영기준에 따른 운영(DRO)과 HOMWRS 기반 저수지 운영 (HRO)을 적용하여 대상저수지 운영을 수행하였다. 저수지 운영 기간은 수집한 저수지 수위자료의 기간과 동일하게 2014∼2018년으로 설정하였으며, 매년 이앙기 시작일을 기준으로 실측 저수율로부터 시작해 관개기 동안 저수지 운영을 수행하고 농업용수 공급량을 산정하였다. Table 6는 저수지 운영기준에 따른 DRO, HRO의 연 공급량과 그 차이를 HRO에 대한 DRO의 연 공급량 비율로 정리한 것으로 연 공급량 차이가 15% 이내인 경우를 진하게 표시하였다.

Table 6 Annual agricultural water supply and ratio

* R_D/H: annual agricultural water supply ratio of DRO over HRO

45개 연 저수지 운영 결과 중 30개 경우에서 DRO와 HRO의 연 공급량이 15% 이내의 차이를 보여 연 공급량 차이가 크지 않은 경우가 더 많았다. DRO의 경우 기상, 저수율 등 용수공급 조절인자에 따라 농업용수 공급량을 조절하는 반면 HRO의 경우 이론적으로 산정한 필요수량을 가능한 만큼 최대로 공급하기 때문에 전체 연 공급량에서 차이가 발생한다. 또한 HRO는 필요수량을 산정하기 위해 수혜구역 전체를 하나의 논으로 가정하여 담수심 변화에 따라 유효우량을 고려하여 용수공급시기와 공급량을 결정하는데 이는 실제 저수지 운영 시 필지별로 다른 담수심을 가지는 현장의 상황과 차이가 있으며 DRO와 HRO의 일별 용수공급시기나 공급량 차이를 유발하는 원인이다. 공급시기와 공급량을 결정하는 방식의 차이로 인해 DRO와 HRO의 일별 용수공급에서 차이가 누적되면 연 공급량에서도 큰 차이가 발생하게 된다.

나. 저수지 운영기준에 따른 일 공급량 및 저수율 비교

1) 연 공급량 차이가 큰 경우

DRO와 HRO의 일별 용수공급 분포차이는 수행한 모든 경우의 연 저수지 운영에서 나타나는데, 연 공급량에서 차이가 크게 발생한 경우를 중심으로 DRO와 HRO의 일별 용수공급 분포차이를 비교하였다. Fig. 4는 Table 6에서 DRO와 HRO의 연 용수공급비율이 20%이상 차이가 난 경우 중 일부의 일별 저수율과 공급량을 그래프로 도시한 것이다.

Fig. 4 Daily reservoir storage rate and agricultural water supply (20% or more difference of annual supply ratio, |1-R_D/H| > 0.20)

Fig. 4(a)의 경우 HRO에서 저수율이 빠르게 감소하여 6월말에 저수율 0%에 도달하였다. 이후 7월 초의 큰 강우로 저수율을 회복한 HRO는 8월 초순까지 용수를 공급한 후 다시 저수율 0%가 되었으며, 이후에는 강우가 있을 때만 용수 공급이 가능하였다. DRO의 경우 저수율 50% 이하에서 제한급수를 적용하였기 때문에 연 공급량이 HRO에 비해 작았으나 (R_D/H= 0.79), HRO가 용수를 공급하지 못할 때에도 공급할 수 있는 저수율을 확보하고 있어 HRO에 비해 용수공급 중단일수는 더 적었다. Fig. 4(a)에서 HRO는 처음 저수율 0%에 도달한 이후 근시일 내 발생한 큰 강우로 인해 저수율이 회복되어 용수 공급이 가능하였으나, 무강우 기간이 길어질 경우 용수 공급이 불가능할 것으로 예상되며, 이 경우 저수율을 보유하고 있는 DRO가 더 안정적으로 대응할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 관개 종료 시 저수율이 DRO에서 29.73%, HRO에서 0.28%로 나타나 다음 해 관개를 생각했을 때 저수율을 어느 정도 보유하는 DRO가 더 안정적일 것으로 사료된다.

Fig. 4(b)의 경우 5, 6월의 강우가 부족하여 관개 시작 후 6월 초까지 며칠 이내 저수율이 크게 감소하였으며, DRO에서 20%, HRO에서 0%에 근접한 저수율을 보였다. 이후에도 강우가 부족하여 두 운영 모두 6월에는 용수 공급이 거의 이루어지지 않았다. 6월 말, 7월 초순의 강우가 발생하였을 때, HRO에서는 저수율이 회복되는 즉시 모든 필요수량을 공급하여 2∼3일 이내 다시 저수율이 0%에 근접하였고, 이후 용수 공급이 어려웠다. 반면 DRO에서는 제한급수를 적용하여 HRO에 비해 작은 양을 조금 더 오랜 기간 관개하였다. 따라서 전체 연 공급량은 DRO가 더 적고 (R_D/H = 0.72), 용수공급 중단일수는 HRO가 더 많은 것으로 나타났다. 또한 DRO의 경우 20∼30% 정도의 저수율을 보유하고 있기 때문에 현장의 상황에 따라 추가 공급을 수행하는 등의 대응이 가능할 것으로 사료된다.

Fig. 4(c)에서는 DRO의 연 공급량이 HRO에 비해 1.5배 많은 것으로 나타났다 (R_D/H = 1.50). 이는 HRO에서 전체 수혜구역을 하나의 논으로 가정하고 용수를 공급하기 때문인데, HRO는 큰 강우 직후 증가한 가상의 담수심으로 인해 증발산, 침투 등에 의해 소모된 수량이 유효우량에 의해 보상 되어 용수를 공급하지 않는다. 반면 DRO는 큰 강우가 발생한 당일 용수공급을 중단하고 다음날부터 다시 용수공급을 수행하기 때문에 비교적 강우가 많이 발생한 Fig. 4(c)에서 HRO에 비해 연 공급량이 많고, 용수공급 중단일수가 적은 것으로 나타났다. 이러한 DRO의 용수공급 방식은 현장 저수지 관리자의 설문조사 응답을 반영한 것으로 저수지 물관리자에 따르면 실제 수혜구역 내 필지의 담수심은 모두 다르고, 수로 말단부 용수공급, 농민들의 요구 수용 등으로 인해 용수공급을 오래 중단하는 일은 거의 발생하지 않는다. 오히려 매일 용수를 공급하는 것이 일반적이며 강우 이후에는 용수공급 중단이 아닌 수문 개도율을 조절하여 용수 공급량을 조절한다. DRO는 이러한 현장의 물관리 방식을 잘 반영하고 있으며, 이 차이에 의해 HRO에 비해 DRO의 연 공급량이 더 큰 것으로 나타났다. 또한 DRO의 경우 용수공급 조절인자의 적용기준, 제한급수 공급비율 등을 조절할 수 있으므로 현장 기상현황에 맞추어 용수공급을 줄이거나 농민의 요구에 대응하는 등의 유동적인 저수지 운영이 가능할 것으로 사료된다.

Fig. 4(d)의 경우 관개 시작 시 저수율이 64.26%이고 관개기 동안 저수율이 우하향 하는 경향을 보였다. 이때 저수율이 50% 이하가 됨에 따라 DRO는 제한급수를 적용하였고, HRO는 공급 가능량을 모두 공급하여 DRO의 연 공급량이 HRO에 비해 작은 것으로 나타났다 (R_D/H = 0.78). 그러나 HRO의 경우 강우 직후 용수공급을 중단한 경우가 많아 용수공급 중단일수가 DRO에 비하여 많았으며, 또한 관개 종료 시 저수율은 DRO, HRO가 각각 35.78%, 15.11%로 나타나 관개 종료 후 DRO에서 더 많은 저수율을 보유한 것으로 나타났다.

2) 연 공급량 차이가 작은 경우

Fig. 5는 DRO와 HRO의 연 공급량 비율이 3% 이내로 비슷하게 나타난 사례 중 일부의 저수율과 일별 공급량을 그래프로 도시한 것이다.

Fig. 5 Daily reservoir storage rate and agricultural water supply (3% or less difference of annual supply ratio, |1-R_D/H| < 0.03)

Fig. 5(a)의 경우 7월의 강우가 부족하여 8월에 DRO와HRO 저수율이 각각 약 30%, 0%까지 감소하였다. 이때 HRO는 보유하고 있는 저수량이 없기 때문에 더 이상 대응이 불가능하지만 DRO의 경우 30%의 저수량을 보유하고 있기 때문에 현장 상황에 따라 추가 용수공급이 가능하다. 두 운영 모두 8월 말 큰 강우 이후 회복된 저수율로 공급을 수행하였고, 연공급량 비율은 약 1% 이내의 차이를 보였다 (R_D/H = 1.01). 8월의 일별 공급량 분포에서 HRO의 경우 강우가 발생하는 즉시 최대한 용수를 공급하여 며칠 이내 다시 공급이 불가능한 상태가 된 반면 DRO의 경우 제한급수를 통해 더 장기간 동안 용수공급을 수행하였다. 따라서 DRO 적용 시 HRO에 비해 용수공급 중단일수를 줄일 수 있고, 보유하고 있는 저수량을 통해 가뭄이 길어질 경우에 추가적인 용수공급 등의 대응을 할 수 있을 것으로 사료된다.

Fig. 5(b)의 경우 DRO와 HRO의 연 공급량 비율이 R_D/H = 1.02로 약 2% 이내 차이를 보였으며, 관개 종료 후 저수율 또한 DRO에서 49.24%, HRO에서 49.90%로 비슷하게 나타났다. 그러나 일별 공급량 그래프에서 HRO는 수혜구역 전체를 하나의 논으로 가정하여 7월 초, 8월 말 강우 후 용수공급을 하지 않은 시기가 있었으며, 8월 초순 이후에는 사수위에 도달하여 용수공급을 중단하였다. 반면 DRO의 경우 저수율이 50% 이하로 감소한 7월 중순 이후 제한급수를 적용하여 HRO에서 공급을 중단한 8월에도 안정적으로 용수를 공급하였으며, HRO에 비해 용수공급 중단일수가 현저히 적었다. 따라서 연 공급량이 비슷한 경우에도 전혀 다른 일별 공급량 분포를 가질 수 있으며, DRO가 HRO에 비해 용수공급중단 없이 안정적으로 용수를 공급할 수 있는 것을 확인하였다.

3. 저수지 운영기준에 따른 저수지 가뭄지수

가. 저수지 운영기준에 따른 가뭄 분류 비교

본 연구에서는 매월 초의 저수율을 기준으로 저수지 가뭄지수 (RDI)를 산정하고 7개 등급으로 가뭄을 분류하였다. 저수지 운영은 관개기를 대상으로 수행되었기 때문에 저수지 운영을 시작한 직후인 6월 초 저수율을 제외한 7, 8, 9월 초의 저수율을 기반으로 월 단위 RDI를 비교하였으며, RDI가 –3.0 보다 작은 경우는 모두 RDI를 –3.0으로 산정하였다. Table 7은 산정한 가뭄지수에 따라 DRO와 HRO의 월 단위 가뭄을 분류한 결과이다. DRO와 HRO의 가뭄 분류 결과가 다를 경우 더 양호한 상태로 분류된 경우를 음영으로 표시하였다.

Table 7 RDI according to reservoir operation at the beginning of the month

총 135개의 월 단위 가뭄 분류 중 DRO와 HRO가 다른 가뭄으로 분류된 경우는 총 69개로 이 중 62개에서 DRO가 HRO에 비해 더 양호한 가뭄 상태로 분류되었다. 가뭄 분류가 동일한 경우에도 RDI 값에서는 대부분 DRO가 HRO에 비해 더 큰 값을 가져 HRO에 비해 가뭄에 대해 더욱 양호한 상태를 보였다. 따라서 저수율 기반의 저수지 가뭄지수에 따르면 DRO가 HRO에 비해 가뭄에 대해 더 안정적인 것으로 나타났다.

나. 저수지 운영기준에 따른 저수지 가뭄지수 비교

Fig. 6은 DRO와 HRO의 연 공급량이 비슷하게 나타난 송정저수지 (SJ)와 대평저수지 (DP)의 2018년 저수지 운영에 대해 산정한 RDI를 그래프로 도시한 것이다.

Fig. 6 RDI according to reservoir operation at the beginning of the month (3% or less difference of annual supply ratio, |1-R_D/H| < 0.03)

Table 7에서 2018년 송정저수지의 가뭄 분류는 7, 9월에서 DRO가 HRO에 비해 양호한 것으로 나타났으며, 2018년 대평 저수지의 경우 7, 8, 9월 모두 DRO의 가뭄 분류가 양호한 것으로 나타났다. 또한 Fig. 6(a)에서 송정저수지의 8월 RDI는 DRO에서 –1.47, HRO에서 –3.00으로 나타나 같은 가뭄 등급으로 분류된 경우에도 DRO가 HRO에 비해 가뭄에 대해 더 양호한 상태를 보였다. 전체 연 저수지 운영 중 일부 경우를 제외한 대부분에서 DRO의 RDI는 HRO에 비해 양호한 것으로 나타났으며 따라서 DRO가 HRO에 비해 저수지 가뭄지수 RDI에 근거하여 가뭄에 대해 안정적인 저수지 운영으로 사료된다.

Ⅳ. 결론

본 연구에서는 설문조사를 기반으로 관행 용수공급을 고려한 가뭄대응 저수지 운영기준을 설정하고 이를 관개기 저수지 운영에 적용하였다. 설문조사는 한국농어촌공사의 지사별 농업용저수지 관리자를 대상으로 수행하였으며, 농업용저수지 관리자가 농업용수공급을 중단하는 요인과 가뭄 시 용수 공급을 조절하는 방법에 대하여 조사하였다. 조사 결과 용수 공급 중단요인에는 강우, 강우예보, 저수율이 있었고 드물게 태풍 등의 재해가 있었으며, 가뭄 시에는 대부분 공급시간 혹은 공급량을 조절하는 제한급수와 공급과 미공급을 번갈아 수행하는 계획급수를 적용하는 것으로 나타났다. 강우의 경우 대부분 30 mm를 기준으로 용수공급을 중단하는 것으로 나타났고, 저수율의 경우 30% 이하의 저수율, 강우예보의 경우 익일 강우예보 30 mm 혹은 그 이상의 값을 기준으로 용수 공급을 중단하는 경우가 많았다. 가뭄대응 저수지 운영기준을 정하기 위해 해당 설문조사 결과를 토대로 강우, 강우예보, 저수율을 용수공급 조절인자로 설정하고, 용수공급 조절비율을 결정하는 기준값은 설문조사에서 많이 나타난 용수공급 중단기준을 참고하여 설정하였다. 그 결과 강우량 30 mm 이상, 저수율 30% 이하, 익일 강우예보 50 mm 이상에서 용수공급을 중단하고, 강우량 15 mm 이상, 저수율 50% 이하에서 각 인자마다 0.5 배의 공급조절비율을 적용하는 것으로 운영 기준을 설정하였다.

설정한 가뭄대응 저수지 운영기준에 따른 저수지 운영(DRO)과 HOMWRS 기반 저수지 운영 (HRO)을 9개 저수지에 적용하고 효과를 평가하기 위해 관개기 시작일의 실측 저수율로부터 관개기 동안 각각 저수지 운영을 수행하였다. 그 결과 총 45개 연 저수지 운영 중 DRO와 HRO의 연 공급량 비율이 15% 이내인 경우가 30개로 DRO를 적용한 경우에도 HRO와 전체 연 공급량에서는 큰 차이가 없었다. 그러나 DRO와 HRO는 일별 용수공급시기 및 공급량 분포에서 차이가 있는데, 이는 DRO가 기상, 저수지 현황에 따라 용수공급비율을 조절하는 제한급수를 적용하는 반면 HRO는 공급 가능한 필요수량을 모두 공급하기 때문이다. DRO와 HRO의 일별 용수 공급 분포차이는 연 공급량 차이가 크지 않은 경우에도 나타나며 일별 용수공급 차이가 누적이 되는 경우에는 연 공급량 차이가 크게 나타나는 것으로 확인되었다.

일별 용수공급 분포차이가 발생하는 요인으로는 제한급수를 하지 않는 HRO가 먼저 사수위에 도달하여 용수공급을 중단하는 경우, 강우의 부족으로 DRO, HRO 모두 용수공급을 중단한 이후 강우가 발생하였을 때 DRO에서 제한급수를 적용하여 HRO에 비해 장기간 용수를 공급하는 경우가 있었고, 관개기 동안 두 운영 모두 용수가 부족하지 않은 경우에도 제한급수 적용 여부에 따라 공급량에서 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한 HRO의 경우 전체 수혜구역을 하나의 논으로 가정하고 담수심 변화에 따라 용수를 공급 하는데, 강우가 발생한 이후 일정량의 담수심이 증가함에 따라 며칠 동안 용수 공급을 중단하여 DRO와 일별 용수공급에서 차이가 있는 것으로 나타났다. DRO의 경우 담수심과 무관하게 강우가 있는 당일의 용수공급을 중단하고 다음날부터 용수를 공급하는데, 이는 강우 이후 용수 공급을 중단하기보다 수문 개도율을 조절하여 제한급수를 실시하는 현행 물관리를 HRO에 비해 더 잘 반영한 운영이다.

연 저수지 운영 중 강우 발생 빈도가 높은 경우에는 HRO에서 강우 이후 용수공급을 중단하는 빈도가 높아져서 HRO에 비해 DRO가 더 큰 연 공급량을 보였다. 반대로 강우가 부족한 경우에는 DRO에서 제한급수를 실시하여 HRO에 비해 연공급량이 작았으나, HRO에서 사수위에 도달하는 시기가 빨라 DRO에 비해 용수공급을 먼저 중단하였고, 따라서 용수공급 중단일수는 DRO가 더 적었다. 또한 DRO의 경우 저수지 현황에 따른 용수공급 조절을 통해 약 30%의 저수율을 보유하고 있기 때문에 HRO가 용수공급이 불가능한 상황에서도 추가적으로 용수를 공급하는 등 유동적인 대응이 가능할 것으로 사료된다.

저수지 가뭄지수 (RDI)로부터 각 저수지의 7, 8, 9월 초 가뭄을 분류하였을 때 총 135개의 분류 중 약 절반인 69개에서 DRO와 HRO의 가뭄 분류가 다르게 나타났으며, 그 중 62개에서 DRO가 더 양호한 상태로 확인되었다. 두 운영의 가뭄 분류가 동일한 경우에도 RDI 값은 DRO에서 크게 나타나 HRO 비해 양호한 것이 대부분이었으며 따라서 저수율을 기준으로 보았을 때 DRO가 HRO에 비해 가뭄에 대응하여 안정적인 운영인 것으로 사료된다.

본 연구에서는 설문조사를 근거로 현행 물관리를 반영한 가뭄대응 저수지 운영기준을 설정하고자 하였다. 설문조사의 한계로 구체적인 현장 상황 별 운영기준을 설정하기에 어려움이 있었으나, 여러 지사에서 공통적으로 나타난 내용을 종합하여 가뭄대응 저수지 운영기준을 설정하였으며, 이는 현행 물관리를 반영한 저수지 운영기준의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기상, 저수지 현황 등 세부적인 요인과 각 저수지별 특성에 따른 구체적인 운영기준을 도입하여 본 연구에서 설정한 운영기준의 적용성을 더 높일 수 있을 것으로 사료된다.

감사의 글

이 논문은 2020년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2017R1E1A1A01077413).